基于INVENTOR的液壓關(guān)斷門的設(shè)計(jì)與仿真

2016-11-29 12:03:22陳志軍

中國設(shè)備工程 2016年5期

陳志軍吉潔

（中國航天萬源國際（集團(tuán)）有限公司，北京 100176）

·改造與更新·

基于INVENTOR的液壓關(guān)斷門的設(shè)計(jì)與仿真

陳志軍吉潔

（中國航天萬源國際（集團(tuán)）有限公司，北京 100176）

運(yùn)用IN VEN TO R三維建模、剛強(qiáng)度分析和仿真軟件，在某廠爐底排渣裝置中成功研制了帶有風(fēng)帽的液壓關(guān)斷門，同時運(yùn)用IN VEN TO R軟件插件Autodesk N astran In-CAD以及運(yùn)動仿真模塊對液壓關(guān)斷門的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元線性靜力分析和運(yùn)動仿真分析。分析結(jié)果對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，物理樣機(jī)研制成功具有指導(dǎo)意義，所使用的仿真方法對液壓關(guān)斷門曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價值。關(guān)斷門安裝使用10余年運(yùn)行穩(wěn)定。

液壓關(guān)斷門；風(fēng)帽；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

某廠鍋爐改造前的除渣系統(tǒng)為水力除渣，費(fèi)水費(fèi)電，污染環(huán)境，故2004年確定改造為以鋼帶式輸渣機(jī)為主的干式除渣系統(tǒng)。干除渣技術(shù)具有占地面積小、維修方便、能夠提高鍋爐效率、節(jié)能降耗、節(jié)約大量的水資源和提高干渣的綜合利用價值等優(yōu)點(diǎn)，并能提高鍋爐效率。

液壓關(guān)斷門是電站鍋爐干式除渣系統(tǒng)重要的控制裝置。在爐底排渣裝置中成功研制了帶有風(fēng)帽的液壓關(guān)斷門，在規(guī)定時間內(nèi)依次開啟，并且在關(guān)斷門下部引入350℃的三次風(fēng)，從液壓關(guān)斷門的風(fēng)帽內(nèi)吹出熱風(fēng)使?fàn)t渣二次燃燒，同時在鋼帶機(jī)頭部及本體引入的冷風(fēng)再次吸收關(guān)斷門落下的爐渣熱量，使自身溫度升高后進(jìn)入爐膛，最終由爐底進(jìn)入爐內(nèi)的混合風(fēng)溫將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過220℃。關(guān)斷門研制成功后，提高了鍋爐的燃燒效率，既能保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又能起到減少爐底漏風(fēng)、控制熱源損失的節(jié)能作用。

一、運(yùn)用Inventor對液壓關(guān)斷門進(jìn)行建模與仿真

1.設(shè)計(jì)輸入及三維建模

客戶對關(guān)斷門的技術(shù)要求。與現(xiàn)有的4個渣斗連接，每個渣斗容積7m3；干渣堆積密度約0.9t/m3；爐渣溫度850℃；關(guān)斷門采用同一材質(zhì)鑄造，變形量<2mm；關(guān)斷門需滿足燃燒的爐渣能在門體上繼續(xù)燃燒，且鍋爐爐底三次風(fēng)需通過門體送入；不能影響渣斗原有人孔門的開啟，渣斗不能因開關(guān)門而額外受力；可采用液壓傳動實(shí)現(xiàn)開關(guān)門的動作，但液壓缸必須避開鍋爐的熱源而且能方便地更換維修、保養(yǎng)；與門軸配合的軸承座應(yīng)耐高溫，而且門開關(guān)的頻率很高，要求軸承座和軸均要有較高的耐磨性，在定期巡檢時，應(yīng)能觀察到其磨損的情況。

由于干排渣項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，液壓關(guān)斷門是其中非常重要的獨(dú)立研制的具有自主創(chuàng)新的非標(biāo)設(shè)備，根據(jù)電廠現(xiàn)有實(shí)際情況及空間尺寸，液壓關(guān)斷門設(shè)計(jì)方案確定為圖1所示的結(jié)構(gòu)形式，整體結(jié)構(gòu)由渣斗（電廠原有）、耐熱鑄鋼門、風(fēng)帽、軸承座、拐臂、液壓缸、液壓缸支座、支撐框架、旋轉(zhuǎn)接頭等零部件組成。

圖1 液壓關(guān)斷門三維模型

2.液壓關(guān)斷門外形尺寸

液壓關(guān)斷門外形尺寸及平面圖見表1、圖2。

3. 運(yùn)動仿真平臺

采用Inventor軟件無縫集成的全功能運(yùn)動仿真模塊作為液壓關(guān)斷門曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的仿真研究平臺。此平臺可對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，對仿真的結(jié)果，可以通過多種方式來研究，滿足用戶對運(yùn)動仿真分析的各種需求。液壓關(guān)斷門曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的仿真模型見圖3。

圖3 液壓關(guān)斷門曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的仿真模型

表1 零件外形尺寸統(tǒng)計(jì)表

圖2 液壓關(guān)斷門平面圖

4.運(yùn)動仿真工況

根據(jù)液壓關(guān)斷門的實(shí)際工作情況，設(shè)定關(guān)斷門起始位置為0°～73°,單個門板的受力為重力和垂直于門板且作用在中心位置的外力，外力F=14550N。液壓缸推動拐臂帶動門體一起沿軸承座轉(zhuǎn)動，同時液壓缸繞著液壓缸支座做小幅度轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)門板的開閉。

（1）添加約束。在Inventor中創(chuàng)建曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各部件間的裝配約束，在啟動運(yùn)動仿真模塊時，各部件間的裝配約束自動裝成運(yùn)動約束，軟件實(shí)現(xiàn)了自動識別和繼承，極大地提高了運(yùn)動部件之間運(yùn)動約束的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率。

（2）施加運(yùn)動。根據(jù)液壓關(guān)斷門的實(shí)際工況，定義重力的大小和方向，前旋轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿，后旋轉(zhuǎn)液壓缸缸筒，將活塞桿引入未知力，活塞桿與拐臂間為鉸接連接，未知力方向?yàn)檠鼗钊麠U且指向缸筒方向，拐臂的初始角和結(jié)束角度差為73°。實(shí)現(xiàn)了液壓缸勻速推動拐臂左右擺動，帶動加載外力的門板做開合運(yùn)動，門板旋轉(zhuǎn)角度為73°。

（3）施加運(yùn)動。根據(jù)液壓關(guān)斷門的材質(zhì)及物理特性確定載荷，假設(shè)關(guān)斷門曲柄壓桿機(jī)構(gòu)動作時，門體質(zhì)量和外力大小不發(fā)生變化。外力方向隨門板的轉(zhuǎn)動做相應(yīng)變化，但始終垂直于門板平面。由于假定門板轉(zhuǎn)動是勻速運(yùn)動，加速度大小忽略不計(jì)。

二、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真分析

設(shè)定初始條件后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果分析如下。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置

圖4為活塞桿與活塞缸筒的位置曲線，活塞桿與液壓缸筒為圓柱面運(yùn)動，分析曲線結(jié)果可以直接得出液壓缸的有效行程S=795-540=255mm；與實(shí)際做圖結(jié)果（260mm）基本一致。

2.液壓缸的受力

由于在液壓缸活塞缸上施加了未知力F,經(jīng)過運(yùn)動仿真后，在運(yùn)動仿真輸出圖示器中直接顯示液壓缸運(yùn)動中各個位置的受力數(shù)值（圖5）。由圖5可知液壓缸運(yùn)動過程中的最大力和最小力數(shù)值，即最大力Fmax=37816N，最小力Fmin=12732N。與理論計(jì)算值（38098N）基本一致，液壓缸作用力平穩(wěn)，未出現(xiàn)突變點(diǎn)。

圖4 液壓缸活塞桿和缸筒的位置曲線

圖5 液壓缸活塞桿未知力的變化曲線

3. 液壓缸理論計(jì)算驗(yàn)證

液壓缸缸徑和液壓缸行程的計(jì)算如下。

已知：單門按承載1.05m3渣考慮F＝9450N，門自重G＝510kg=5100N，液壓系統(tǒng)壓力p=16MPa，由力矩平衡：T1＝T2，T1＝9450×460＋5100×313＝5943300N·mm=5943.3N·m；T2=F×0.156；F=38098.1N（約3.9T）；液壓缸缸徑：

(按GB/T2348—1993液壓缸內(nèi)徑尺寸系列圓整D＝80mm)；液壓缸實(shí)際推力F＝8.042T；有效行程S＝260mm;圓整為S=290mm；為了不影響鍋爐原渣斗人孔的正常開啟，液壓缸不能布置在中間，只能在渣斗的兩側(cè)布置，所以在門體關(guān)閉狀態(tài)，即受力最大時，由液壓缸的有桿腔受力，理論計(jì)算液壓缸有桿腔最大拉力F=6.7T仍然滿足設(shè)計(jì)要求，使液壓缸使用時輕松自如。

三、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各零部件的有限元分析

根據(jù)液壓關(guān)斷門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要受力部件從整套液壓關(guān)斷門中獨(dú)立出來，由于門體和門轉(zhuǎn)軸為一體結(jié)構(gòu)，且門體和軸為空心結(jié)構(gòu)，門受自重、渣斗內(nèi)煤渣重量以及拐臂扭矩的軸承座支撐力的聯(lián)合作用。門的受力狀況隨其位置的變化而變化，采用傳統(tǒng)的解析法對其進(jìn)行分析難度較大。

根據(jù)虛擬樣機(jī)模型確定的連接尺寸，結(jié)合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真受力變化曲線和受力分析，重新建立模型（圖6），門體、軸承座、拐臂的材料為鑄鋼，其彈性模量E=210GPa；泊松比μ=0.3；屈服強(qiáng)度[σs]=300MPa，活塞桿、缸端銷材料為Q345B,其彈性模量E=220GPa；泊松比μ=0.275；屈服強(qiáng)度[σs]=207MPa。

表面接觸類型為：軸承座與門軸、活塞桿端與銷軸、銷軸與拐臂為滑動無分離；拐臂與門軸為粘接接觸。

使用與INVENTOR無縫連接的Nastran In-CAD有限元分析軟件對整個機(jī)構(gòu)各個零部件在裝配環(huán)境下進(jìn)行線性靜應(yīng)力分析。模型采用10節(jié)點(diǎn)的拋物線實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖7所示（模型包括全體237286節(jié)點(diǎn)和148892單元）。Von Mises應(yīng)力總計(jì)見圖8，形變總計(jì)見圖9。